1、第1章有线电视网络的基础知识1.1电视信号的基本知识1.1.1电磁波传播的基本知识1.电磁波的基本概念当把高频电流送入天线导体时，高频电流在导体的周围产生变化的磁场，而这个变化的磁场又会使电场变化，变化的电场又产生变化磁场，变化的电场和磁场便以馈电导体为中心，以周围的空气为媒介向远处传播，这种传播具有波动特性，所以称为电磁波。广播、通信、电视以及所有无线电系统，都是利用电磁波来传递信息的。电视信号的传送是将全电视信号(视频信号)和伴音信号(音频信号)发送出去，需将它们分别调制到比视频信号及音频信号高得多的各自载波上，然后把调制后的高频电视信号放大并通过发射天线转换为电磁波辐射到空间。电磁波在空
2、间传播是有一定规律的,电场与磁场始终保持垂直,并沿着与二者都垂直的方向传播。电磁波在空间传播时，电场矢量和磁场矢量在空间具有一定的取向，我们把电场方向按一定规律变化的现象称为电磁波的极化(在垂直于传播方向的平面上，由电场矢量端点的轨迹呈线状、圆形或椭圆形，极化分为线极化、圆极化、椭圆极化)。在工程上，通常以大地作为参照标准平面，把电场方向与大地平面相平行的电磁波称为水平极化波，如图1-1a)所示；而电场方向与大地平面相垂直的电磁波称为垂直极化波，如图1-1b)所示。电磁波频率范围很宽，按波长从长到短可分为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线等。电磁波的整个频率范围划分为许多波段，各
3、波段的频率范围、对应的波长和波段名称见表1-1所示。在各波段中，用于电视广播的是超短波和微波中的分米波，即甚高频(VHF)和特高频(UHF)。可见，无线电波是电磁波中波长最长的部分。2.无线电波的传播及特点无线电波的传播速度与光波一样即300 000km/s，其速度(v)、波长()与频率(f)三者之间的关系为3.无线电波的场强及分贝表示电视信号通过无线电波传播，发射天线将高频电流(或电压)转换为电磁波并向空间传播出去,接收天线则是将空间接收到的电磁波转换成在传输线中传输的高频电流(或电压)。在电视信号接收中，接收地点电场强度的大小称为场强，它的单位是mV/m或V/m，通常用分贝来表示。分贝是由
4、贝尔(Bel)导出的。贝尔是为了度量两个物理量(N1和N2)的比值而设定的计量单位，其定义式为式中lg以10为底的常用对数。1Bel在实际测量中往往太大，因此常用其1/10作为测量单位，这就是1分贝(简写为dB把上式代入式(1-1)即为分贝(dB)定义式在无线电技术中，常用分贝来表示放大电路的增益和一些物理量的大小，例如电功率、电压、电流等。通常使用分贝微伏(dBV)表示电视信号的强度，并规定：1V/m的场强为0dBV。例如，6V/m表示场强为2dBV。在电子技术中，用分贝表示电量的相对大小，即为电平。这时，N1为测量值，N2为参考基准值，根据所选取的基准值的不同，电平可分为相对电平和绝对电平
5、两种。(1)相对电平相对电平定义为功率(或电压、电流)与同单位的某一基准值之比的常用对数，常用的是相对功率电平和相对电压电平，其表达式为式中Gp相对功率电平(dB)；Gu相对电压电平(dB)；P测量点的功率；Po进行比较的基准功率；U测量点的电压；Uo进行比较的基准电压。相对电平用来表示两个同类物理量的比值。注意，这里只是表示一个比值，而不表示一个有确定数值的物理量。由上述定义可以得出:在有线电视中，相对电平常用来表示一些器件的电气性能参数，例如放大器输出功率和输入功率之比，叫做放大器的功率增益，若相对电平是正的，则表示放大器有增益；又例如一段长度的电缆输出端电压和输入端电压之比，叫做电缆的衰
6、减常数，相对电平是负的，则表示电缆有损耗。1)当PPo，则Gp0，记为+dB，表示测量值大于基准值。2)当PPo，则Gp1，且NF值越大，表示内部噪声越大。1.2有线电视网络的基本组成1.2.1有线电视网络的基本概念和优点有线电视网络是用光缆、电缆、微波(或这些媒介的组合)传输、分配和处理声音、图像、数据信号，将电视、通信和计算机融为一体的网络。随着城市的发展，高层建筑和各类电磁干扰源日益增多，电视屏幕上的各种干扰也日趋严重。为了改善接收质量，有线电视系统首先在城市中发展起来。随着科技的发展，利用光纤传输技术、微波技术、卫星通信技术等传输方式，使电视信号的传输距离更远，网络的规模更大，终端的用
7、户数量更多。此外系统前端不仅能高质量地转播当地的开路电视节目，还可以利用各种影像设备自办节目和转发卫星电视节目，并能双向传输和交换信息。我国的有线电视经过了20多年的发展，全国有线电视网络线路总长度现在超过了300万公里，光纤干线达到26万公里，近2 000个县开通有线电视，其中600多个县已实现了光纤到乡、到村，由光缆、电缆组成的HFC网成为发展的主流。目前，有线电视用户总数已超过9 000万，有线电视用户数已位居世界第一。利用有线电视网络资源，通过HFC双向改造，使用PC/Cable Modem或TV/STB组合实现真正的宽带接入，向普通百姓提供视频、话音、数据“三合一”的多媒体信息服务已
8、经成为现实。基于HFC结构、利用Cable Modem实现宽带接入不仅提供了对Internet的高速数据接入服务，还能提供交互式数字电视服务以及IPphone话音服务，这样，开通交互有线电视网、高速Internet接入、视频点播(VOD)等，实现了多功能服务。有线电视网络的特点是:(1)传送的节目容量大有线电视系统采用先进的邻频传输技术，可以传送卫星电视节目、电视台的自办节目、微波电视节目等多种电视信号，利用数字电视传输技术使节目套数大大增加。我国电视的模拟制式为PAL D/K，频道带宽是8MHz。CATV采用数字调制方式为64QAM，1个8MHz模拟频道可以传810套数字电视节目。200MH
9、z带宽内可以传200250套节目。国外有的推荐用550750MHz频段，国内某些有线电视台已由模拟频道占用，也可使用250450 MHz的增补频段。这样在CATV系统中就可以开展VOD(视频点播)、HDTV(高清晰度电视)及其他多媒体信息业务。(2)图像的质量好有线电视系统提高了信噪比，保证了信号源的高水平，采用了电缆或光缆等有线媒质来传送信号，从而不受地形和高层建筑的影响，避免了空间电波的干扰，使电视图像更加清晰，还能消除重影现象。有线数字电视的传输使图像质量更进一步提高，数字化以后的电视信号传输，噪声没有积累，各用户的信号质量一样，提高了传输质量。中央电视台和省市电视台都有了数字卫星电视节
10、目，采用MPEG2视频编码标准，利用这些数字信号源，将数字电视传输到用户，图像尺寸(取样数扫描行)704(720)576(480)，可将显示清晰度提到480线，主观评价约4.3分。与模拟的3分左右相比，图像等级提高1级。还可以传送高清晰度电视节目。(3)能提供多功能业务随着CATV的数字化，以往用模拟方式无法提供的电视业务都将成为可能，可以实现数字业务、交互式电视业务等新型服务方式，如提供电话、计算机浏览等业务，也可提供电视购物、电子银行、远程教育、VOD等新式有条件接收的交互式业务。用户从单纯的收视者变为积极的参与者。从而使有线电视的用途更加广泛，如数据传输、付费电视、节目点播、安全监视、电
11、视购物、电子付款、保安和医疗等等。有线数字电视多业务系统，使用数字传输技术(如DVBC)，完成有线电视网络从模拟到数字的升级改造，不仅保留了模拟有线电视网的基本属性和业务，还拓宽了数字化业务和应用的范围，使数字有线电视网络前景更加广阔。随着社会的进步和发展，有线电视网络是是中国“信息高速公路”的重要组成部分，而且有线电视网、电信网和计算机数据网的“三网合一”是信息社会的发展方向。1.2.2有线电视网络的基本组成1.传统的有线电视系统传统的有线电视系统由前端、干线传输系统和用户分配网络组成，如图1-7所示。前端用天线接收卫星电视信号、当地电视台和电视差转台发射的电视信号(其工作频道都是标准电视频
12、道，即VHF、UHF电视信号，也称开路电视信号)、微波电视信号，然后与自办节目信号一起进行处理，转换为射频电视信号并达到规定的载噪比和输出电平要求，然后再把全部信号混合成一路送到干线传输系统。射频前端是接收、处理和混合多个信号源的设备，由卫星电视接收机、功率分配器、频率转换器、解调器、信号处理器、天线放大器、调制器、混合器等组成。干线传输系统的作用是把前端输出的射频电视信号传输给用户分配系统。使用同轴电缆传输信号，用干线放大器来补偿信号的损耗，传输距离短；使用光缆传输信号则损耗非常小，传输距离远。用户分配网络将用户放大器的输出电平分配给楼幢和用户，由放大器、分支器、分配器、同轴电缆线和用户盒组
13、成，是有线电视传输系统的最后部分，一般都是同轴电缆传输。2.HFC宽带有线电视系统现在大多数有线电视网络采用光缆和同轴电缆混合传输(HFC)，其中光缆用于干线传输，电缆用于用户分配系统。前端输出端设有光发射机，接收端设有光接收机(光节点单元)，如图1-8所示。我国目前有线电视网络用户增长速度快，同时由于同轴电缆可提供较宽的工作频带和良好的信号传输质量，所以基于现有有线电视网络设施的HFC接入网技术越来越引起人们的重视。HFC接入网是以模拟频分复用技术为基础，综合应用模拟和数字传输技术、光纤和同轴电缆技术、射频技术及高度分布式智能技术的宽带接入网络。通过对现有有线电视网进行双向化改造，使得有线电
14、视网除了可提供丰富和良好的电视节目之外，还可提供电话、Internet接入、高速数据传输和多媒体等业务。有线电视网从全电缆网发展到以光缆做干线，电缆做分配网的HFC型有线电视网，在技术上是一次飞跃。因为HFC有线电视网，借助于光纤的低损耗特性和宽带特性，可以把网络的覆盖范围做得很大，而且省去了一连串的干线放大器，有效地提高了系统的可靠性和图像质量。在人类步入信息社会的今天，网络技术的发展突飞猛进，随着电信业务的不断拓展和通信网结构的不断变化，广大用户对网络速度的要求越来越高，从而促使各种各样的接入网技术不断涌现，如非对称用户环路(ADSL)、光纤到路边(FTTC)、光纤到用户大楼(FTTB)、
15、光纤到用户(FTTH)、光纤同轴电缆混合方式(HFC)和无线接入等。由于我国拥有世界第一大有线电视网，因此基于有线电视网的HFC接入网技术在我国具有典型的现实意义和广阔的发展前景，并逐渐引起人们越来越多的关注。HFC宽带网与传统的有线电视传输网比较，传输广播电视信号的同时还利用有线电视网在每个光节点的多余光纤建设数据传输平台，提供用户所需要的信息服务类型，包括：首先作为有线电视网，要能为用户提供广播电视节目(包括视频点播节目)；其次作为综合信息网，要能为用户提供高速计算机数据通信、视频通信、视音通信等。改造后的综合信息网要能良好地传输视频信号，这是一项最重要的要求。基于HFC的有线电视网是目前
16、惟一的宽带入户网，为用户提供300750MHz宽带的频率资源，目前已有1 000MHz有线电视网投入使用。HFC的网络结构简单，一般由两级光纤、一级电缆构成。主前端到分前端、分前端到分配节点(ODN)一般采用光纤，分前端到用户一般采用电缆。3.HFC数据通信技术HFC网作为传输图像信息的网络拥有51 000MHz的频宽，通常一个电视频道使用6MHz或8MHz，例如PAL。数据传输也是利用一个频道的频宽作为载波承载调制的数据，故而一个传输数据信息的频道与一个传输图像的频道在物理上可等同看待。为了更为有效地传输信息，还需要利用相应的技术进行格式转换。HFC网络传输数据是将数字信息通过调制技术转换成
17、适合传输的模拟载波。线缆调制解调技术结合幅值和相位调制，可得到较高的数据承载密度，常见的有QAM256、QAM64、QAM16和QPSK。.邻频传输技术有线电视系统信号传输有隔频传输和邻频传输两种方式。为了防止干扰，信号传输时系统只能间隔频道传输，如、，这种传输方式称为隔频传输系统。隔频传输系统用于传输节目频道较少，技术指标要求较低的情况。现阶段都采用邻频传输方式，邻频设置是相对隔频而言，指使用相邻频道进行传输的传输体制，对有线电视系统各部分的技术指标有了较隔频传输更高的要求。邻频传输要求邻频道干扰抑制好，各频道的电平差要小，频率稳定性高，图像载波电平和伴音载波电平要可以分别调整(A/V比应达
18、到-17dB)等。中频处理方式能够满足邻频传输的要求，其原理是首先把接收到的VHF和UHF频段的射频电视信号通过下变频转换为固定频率的中频信号，即38MHz的图像中频和31.5MHz的伴音中频信号；然后进行中频信号处理器，使之满足邻频传输的要求；最后再上变频，转换到VHF频段的某一标准电视频道或增补频道。中频信号处理采用图像中频信号和伴音中频信号分通道处理，中频滤波器采用声表面波滤波器(SAWF)，其邻频抑制度很高，带外抑制可达60dB。信号处理器中加有AGC电路，本振均采用晶体振荡器。1.3有线电视网络的频率配置有线电视信号传输的工作频率范围在48.5958Mz之间，全频范围划分若干个频段，
19、每一个频段又包含若干电视频道，每一套电视节目占有一个电视频道，每个电视频道占8MHz的带宽。1.3.1有线电视传输频谱的划分有线电视传输频谱划分为VHF波段(48.59.0Mz)为标准电视频道DS-1DS-5、VHF波段(167.0223.0Mz)为标准电视频道DS-6DS-12、UHF波段(470.0566.0Mz)为标准电视频道DS-13DS-24、UHF波段(606.0.0Mz)为标准电视频道DS-25DS-68以及增补频道A1波段(111167MHz)Z-1Z-7、A2波段(223295MHz)Z-8Z-16和B波段(295470MHz)Z-17Z-37。共设置了标准电视频道共有68个
20、、增补频道37个。1.3.2有线电视双向传输频率频段的划分与传输内容考虑有线电视网络的双向传输功能及数字电视的发展时，反向(上行)通道带宽为5z，正向(下行)通道带宽为48.5958Mz，我国有线电视传输频谱划分如图1-9所示。有线电视频率频段的划分与传输内容如下：530MHz：上行电话、数据、用户点播节目指令；3048MHz：保护频段；48550MHz：下行模拟电视、数字电视、下行调频广播；550650MHz：下行数字压缩电视；650750MHz：下行电话和数据；7501 000MHz：未来的双向业务。上行(反向)信号是指从用户端流向系统前端的信号，下行(正向)信号是指从系统前端流向用户端的
21、信号。1.4数字电视基础1.4.1数字电视的概念数字电视指的是将电视信号变换为数字形式的电视信号进行处理、存储或进行传输的系统。图1-10表示数字电视系统的组成。在该图中，编码完成模拟电视信号到数字信号的变换，这是必需的基本编码。许多情况下，还要将已编码的数字信号进行数据压缩，也就是还要进行压缩编码。编码后的三个支路，表示三种可能的情况。当数字信号要进行传输时，为了使信号与信道特性匹配，要进行调制，或者还要进行某些预处理。这一过程也可以称为信道编码。信道则包括各种传输媒质和方式，如微波、卫星、电缆、光纤等传输线路。在收端则经解调和解码(译码)再变换为模拟电视信号。在许多情况下，编码后的数字电视
22、信号是送给数字信号处理单元进行处理的。可以是某些设备中的数字电路(如数字电视机中)，也可以是一些专用设备，比如演播室的各种设备。某些数字处理完成相当于模拟处理的功能，如图像增强、滤波、同步提取、抑噪等；也完成包括模拟处理中难以完成的功能，如电视制式转换、各种屏幕特技、图文电视等。数字电视信号还可以进行永久性或半永久性的存储。图1-10上的存储媒质可以是各种半导体存储电路(RAM、ROM、EPROM等)；也可以是视频激光光盘(VCD)，后者就是永久性的存储媒质。1.4.4电视信号的数字化模拟电视信号转换数字电视信号的过程是一个编码过程。由于历史的原因也称为PCM调制(脉冲编码调制)。由数字电视信
23、号再转换为模拟信号则称PCM解调或解调或解码过程。这两过程在电路实现时，是用如图1-11所示的模拟/数字转换器(A/D)和数字/模拟转换器(D/A)实现的。这和一般的模拟信号(如语音信号)的数字化是相同的。在A/D转换中，在时钟和同步信号的控制下，对模拟信号进行取样，取样后的信号为PAM(脉冲幅度调制)信号。取样频率设为fs(周期为T)，它是由时钟信号产生的。PAM信号经过量化，变为幅度并取有限个离散值的PAM信号。然后，再根据取样点的离散值，编为n位的二进制数字码。设离散值的最大个数为M，n与M的关系为式中1bM表示以2为底时M的对数。若量化分层是均匀的，则称均匀量化，这种码称为线性码(一般
24、为二进制自然码)。在A/D转换器中，量化和编码通常是同时完成的。即在编码的过程中(编码过程可以理解为将取样值与各量化值进行比较，取最接近它的样值，再给出对应码)，舍去或补足小于二分之一的量化层值的量化误差，得到的就是已量化的数字信号。若编出的n位码用n位线输出，就是并行码。在数字设备内部或近距传输时，常用并行码。若进行远距传输或要与其他数字信号综合传输时，则通过并串转换，变为串行码。此时，每个数字用n位二进制码，数字信号的速率为nfs。图1-12a)、b)、c)、d)以n3、M8为例表示了上述PCM的编码过程。图1-12a)是模拟电视信号f(t)；1-12b)是理想的取样信号序列(t)；图1-
25、12c)表示取样信号和量化后的数字电视信号；图1-12d)为不归零(NRZ)的串行数字电视信号。图1-12e)、f)、g)表示PCM编码过程的频域变换。图1-12e)是模拟电视信号的频谱。图1-12f)是取样信号的频谱，它是以fs为周期的离散谱。取样过程在时域上实际上是两信号的相乘过程，因此，在频域上相当于两信号频谱的卷积，即将F(f)在频率轴上以fs为周期进行拓展。图1-12g)就是PAM信号的频谱。由于PCM信号是量化和编码后的PAM信号，量化引起的误差是相同的。因此，图1-12g)的频谱也近似为PCM信号的频谱。至于在线路上传输的并行码、串行码信号的频谱与F(s)显然是不同的。今后讨论数
26、字电视信号的频谱时(如讨论数字信号滤波)，就是以图1-12g)的频谱为基础的。从图1-12g)可以看出，为了能恢复原图像信号，取样频率fs应大于2fm，这就是取样定理所规定的频率。若不满足这一要求，就会产生频谱混叠现象，图像就会失真(如产生对彩色的串扰)。为了能用滤波方法分离出原图像信号，便于滤波器的实现，通常fs要大于2.2fm。图1-11中的D/A转换器完成数字电视信号到模拟电视的转换。其过程是，PCM编码信号以并行方式输入(若是串行码则要进行串并转换)，通过各码的加权相加，就得到量化的PAM信号，再通过截止频率为fs/2的低通滤波器，就可以得到模拟电视信号。这从图1-12g)中很容易看出
27、，该图上虚线就是表示理想低通滤波器的传输函数特性。由于实际的PAM信号是由理想的PAM信号经保持电路得到的，是一些平顶脉。这一保持过程相当于信号经过一时间窗平滑(信号经过冲击响应是宽为Ts的矩形窗)。时间窗的传输函数为H(f)=(sinf/fs)/(f/fs)，因此，对视频信号的高频分量有所削减。为补偿这一失真，低通滤波的高频端应有所提升。1.4.5图像信号的编码方案与参数确定这里讲的图像信号，就是指彩色视频图像信号。彩色图像信号通常有两种形式：一种是彩色全电视信号，它是亮度信号Y与调制在彩色副载波上的色度信号C相加的信号。另一种是以亮度信号Y和两个色差信号RY、BY分别出现的彩色信号。因此，
28、对图像信号的PCM编码也有两种方案：全信号编码和分量编码。这两种编码方案各有合适的应用场合和不同的特点。比如在演播室中，从摄像机中得到的是R、G、B三基色信号，或经变换的Y、GY、BY信号，要进一步处理，当然以分量编码为好。而若在电视接收机中，经中频解调输出的是全电视信号，要进行处理，则全信号编码更为方便。1.全电视信号编码(1)取样频率全电视信号编码就是直接对信号进行PCM编码。选择这种编码的取样频率fs，除了要满足取样定理的要求外，还要考虑下面的因素。由于全电视信号中，有处于高频范围的副载波频率的色度信号，它的功率较大，取样过程实际上是包括相乘作用的非线性过程。设彩色副载波频率为fsc，取
29、样后的信号中有pfs-qfsc差拍分量，其中，p、q为正整数。这时，有些分量会落入视频带内，其大小随彩色饱和度变化。若fs与fsc不相关时，这差拍信号的干扰会以运动的花纹图案出现。当取样频率fs取为fsc的整数倍，如fs3fsc或fs4fsc时，则差拍分量将以q3、p1或q4、或p=1的零拍出现。色差分量出现在0至1.3MHz范围(PAL制)。考虑到色度分量与Y信号的频谱间置关系，这些差拍分量也处于Y信号的频谱间隙中，它对图像的影响不易被察觉。因此，通常按fs3fsc或fs4fsc取值。对于NTSC信号，3fsc10.7MHz或4fsc14.3MHz。对于PAL信号，3fsc13.3MHz或4
30、fsc17.7MHz。选择取样频率时，还应考虑到取样点在屏幕上的位置，应该使取样点构成的点阵在空间位置固定，并垂直对齐，这种结构称为正交取样结构，如图1-13所示。这种空间正交取样结构，便于进行行间、场间和帧间的信号处理。现以PAL制中取fs4fsc为例分析。在PAL制中，fsc=(283+3/4)fH+25,则它表示，一行中有(1 1354/625)个取样周期。显然，经一帧后，经过的行数为625(1 1354/625)整数，这表示两相邻帧间取样点的位置相同。相邻行的周期数为313(1 1354/625)，也是近似整数仅差0.003 2，因此满足正交结构。可以分析，对于fs3fsc时，点阵结构
31、要四帧重复，且相邻行并不对齐(差1/4周期)。因此采用fs4fsc较多，它的另一好处是因fs/2与fm间有较大间隔，可以降低模拟低通滤波器和数字滤波器的设计难度。(2)编码位数图像信号的编码位数n是由所需的量化层数决定的。量化层少了，图像中的灰度变化及彩色变化将不能反映，这就失去反映细节的能力，也就是产生了图像失真。位数越多，再生的图像质量就越高。但是位数 n越大，编码图像的传输速率就越高，所占频带就越宽，存储容量就越大。而且对硬件电路要求就越高。这里可以用由于量化误差引起的信号和量化误差(或称量化噪声)比来分析此问题。对于经过校正的图像信号，一般都采用均匀量化，即用线性编码。设单极性图像信号
32、的变化范围为01，分为2n个量化层，每个量化层高为2-n。由于均匀分布，量化误差的方均根值为对于满量程(S=1)的信噪比为因量化产生的对图像质量的影响，最终是要由人们对图像的主观感觉来判定的。实验表明，当n7、8，即将信号量化为128到256个层时，人们已很难感到量化的影响。由式(1-12)，对应的量化信噪比的范围约为5060dB。现在看一看，全信号编码时的数据速率。以PAL制fs4fsc、n8为例，总的数据速率为可见数字图像信号的数据速率是很高的。每一帧的数据量为5.67Mbit或708.8KB。2.分量编码分量编码就是对Y、RY、BY或三个基色分量R、G、B分别编码，进行并行传输，或者按时
33、分复用传输。(1)取样频率取样频率根据分量信号的频谱宽度决定。主观试验表明，在现有的电视制式中，亮度信号有5.86MHz带宽、色差信号有2MHz的带宽，就可以得到满意的彩色图像质量。对亮度、色差信号的取样频率应选定在大于2.2倍最高频率上。同样，为了得到正交取样的点阵结构，取样频率应为行频fH的整数倍。为了便于不同电视制式间的转换，还要考虑能对现有的50Hz、60Hz场频和625行、525行两种制式兼容，即fs是两者行频、60Hz场频和625行、525行两种制式兼容，即fs是两者行频的公倍数。此外，还要求亮度信号的取样频率与色信号的取样频率之间有整数倍的关系。这样在空间，两者的取样点能重合或有
34、固定的位置关系。为了便于国际间电视节目的交换，也为了便于使演播室数字设备能够通用，早在1982年CCIR(国际无线电咨询委员会)就提出了分量编码的国际标准(601号建议)。标准规定了对Y/RY/BY的取样频率为13.5/6.75/6.75MHz，这标准简称为422标准。可看出，它们满足取样定理，亮度信号与色差信号的取样频率间成两倍关系。同时也满足fs与fH的整数倍关系。对625行制，每行有864个样点；对525行制，每行有858个样点(525行彩色制中，fH15 734.266Hz，而不是原来15 750Hz，这是为了满足伴音中频4.5MHz与副载波fsc之差应为半行频的奇数倍关系，以减少伴音
35、差拍干扰)。422标准是为演播室制定的高质量的分量编码标准。在其他场合，指标可以适当降低，例如可以采用411(即13.5/3.375/3.375 MHz)或211标准(6.75/3.375/3.375MHz)。(2)数字有效行图像信号是在行的正程出现的，因此，标准规定在一行中由一定的取样点构成数字有效行，图1-14数字有效行的时间关系并且规定两种制式的数字有效行的亮度信号点数都为720，色度样点为360个，这就是更便于两种制式的转换。数字有效行与模拟行的对应时间关系，如图1-14所示，这里以625行制为例。一行的起点定在行同步前沿脉冲的中部。有效行由样点133至852，而正程对应的样点为142
36、至844，有效行期间包括了正程。有效行的数据是必须进行处理和存储的。(3)编码位数和排列分量编码标准规定，亮度信号和色差信号分别归一化为01及0.5+0.5的范围，并都编为8位线性码。由于原来的RY最大值为0.701，BY的最大值为0.886，故要对RY和BY进行压缩，压缩比分别为kRY0.5/0.701，kBY0.5/0.886，压缩后三分量Y、(RY)、(BY)的表示式为Y编为自然二进码，双极性的(RY)、(BY)编为偏移二进制码，即0.5对应自然码的0，+0.5为255，零电平为128。为了防止信号过载、直流漂移，256个量化并不全用。亮度信号的黑白电平对应于16235量化级，色差信号则
37、在底部和顶各留16个量化级。分量编码的数字信号在传输时，规定按下面顺序构成复合的数据序列：这里(BY)Y(RY)是空间同一样点的数字，而(RY)(Y)(BY)中(Y)中仅有亮度取样的空间取样点的数字，它规定在一行的偶数样点上。3.电视伴音信号的编码电视中的伴音信号也按PCM编码。由于伴音与电视体制没有确定的关系，编码比较简单。模拟伴音信号的频带为20Hz15kHz信号，取样频率可取fs48kHz。当数字伴音信号要与图像信号分时复用时，则取样频率应与图像取样频率保持固定的关系，从同一时钟源得到。比如，在PAL的分量编码时，若仍采用48kHz取样频率，就可以保持这种关系，因伴音编码的位数要比图像编
38、码的位数多。这是因为伴音信号的动态范围大，而高质量的伴音要求很高的信号噪声比。声音信号量化时，要满足高保真的声音质量。平均声音对量化噪声比应达到6065dB。若考虑到声音信号的峰值比平均声音还要高，比如高25dB，则相对峰值声音，应为8590dB的信号量化噪声比。由上面的均匀量化的信噪比公式(1-12)，则均匀量化所需的编码位数为1314位。在演播室的质量话音编码中，若要对低电平的声音仍有信号噪声比，编码位数甚至要取到16位。伴音信号由于信号幅值分布的特性(非均匀分布，幅值大的概率小)以及人的听觉特性，也可以采用非线性编码，这样n11、12时也可以得到很高的声音质量。虽然伴音编码的位数比图像编
39、码的位数多，但因是低速编码，实现反而更容易。1.5有线数字电视广播技术按信号传输方式分类：数字电视可以分为地面无线传输(地面数字电视)、卫星传输(卫星数字电视)、有线传输(有线数字电视)三类。卫星数字电视广播(DVBS)、(DVBC)和地面数字电视广播(DVBT)的信源编码都是 DVB/MPEG2传输流数据，信道调制分别采用了QPSK、QAM和COFDM(或VSB)方式。DVBC以HFC宽带网作为传输介质，当采用64QAM正交幅度调制时，一个8MHz模拟PAL电视频道可供8套数字电视节目复用传输。有线数字电视广播(DVBC)系统分为前端、HFC宽带网、用户终端接收设备三大部分，涉及 DVB/M
40、PEG2数据压缩编码以及解压缩编码、多个DVB/MPEG2数据流的复用和解复用、信道编解码和调制解调等技术。1.5.1有线数字电视的标准DVB标准提供了一套完整的、适用于不同媒介的数字电视广播系统规范。DVB选定ISOIEC MPEG2标准作为音频及视频的编码压缩方式，对信源编码进行了统一，随后对MPEG2码流进行打包形成传输流(TS流)，进行多个传输流复用，最后通过卫星、有线电视及开路电视等不同媒介传输方式进行传输。DVB标准的核心有：系统采用MPEG压缩的音频、视频及数据格式作为数据源；系统采用公共MPEG2传输流复用方式；系统采用公共的用于描述广播节目的系统业务信息用(SI)；系统的第一
41、级信道编码采用 RS前向纠错编码保护；调制与其他附属的信道编码方式，由不同的传输媒介来确定；使用通用的加扰方式以及有条件接收界面。DVBC(ETS 300 429)数字有线广播电视系统标准以有线电视网作为传输介质，应用范围广。它具有16QAM、32QAM、64QAM、256QAM等多种方式。采用64QAM正交调幅调制时，一个PAL通道的传送码率为41.34Mbit/s，还可供多套节目复用。系统前端可从卫星和地面发射获得信号，在终端需要电缆机顶盒。2001年国家广电总局已颁布行业标准：有线数字电视广播信道编码和调制规范，该标准等同于DVBC标准。1.5.2数字电视信号的前端处理有线数字电视广播系
42、统(DVBC系统)的前端完成数字电视信号的接收、采集、存储和本地播出、DVB/MPEG2信源的压缩编码、DVB/MPRG2传输流的复用、信道编码与QAM调制、条件接收与用户管理以及系统管理等功能。、条件接收与用户管理以及系统管理等功能。1.数字电视信号的接收或采集视频服务器将接收或采集到的不同视音频信号源压缩编码或转码为符合DVB/MPEG2标准的传输流数据，并存储在硬盘等大容量存储设备中。视频服务器可由上载工作站、播控工作站及其相应的控制和管理软件控制，完成对多路 DVB/MPEG2数字电视信号源的接收、采集、存储和本地播出。DVBS综合解码接收机(DVBS IRD)负责对接收到的DVBS卫
43、星数字电视广播节目进行QPSK解调，输出标准的 DVB/MPEG2 SPTS流(单节目传输流)数据给DVB/MPRG2传输流复用器。TS流数据输入器负责接收、选出上级广电SDH光纤传输网的 MPTS流(多节目传输流)中相应节目的SPTS流数据，输出给DVB/MPEG2传输流复用器。2.DVB/MPEG2实时编码器DVB/MPEG2实时编码器负责对模拟视音频信号源进行数字化采集和DVB/MPEG2压缩编码，输出符合DVB/MPEG2标准的数字视音频基本流(ES)，再进行视频实时数字预处理、时基校正、打包等处理，打包后的视音频ES流称为视音频PES流，然后将视音频 PES流复用为 SPTS流，再将
44、其送至DVB/MPEG2传输流复用器。DVB/MPEG2实时编码器的视音频接口、视音频压缩编码和复用三个模块组成。视音频接口模块是将模拟视音频输入信号转换为数字格式输入至编码模块，视频接口支持模拟复合信号、S-Video模拟信号、YUV模拟分量信号和SDI串行数字分量信号。音频接口支持一路模拟立体声或两路单声道模拟音频。视频编码采用广播级DVB/MPEG2实时压缩编码，编码后的视频ES基本流送往视频打包器打包成视频PES流，然后送往节目复用器。音频编码由音频编码软件将音频接口输入的模拟音频信号按DVB/MPEG2标准进行编码，得到的音频ES基本流送往音频打包器打包成音频PES流，打包后的音频P
45、ES流也送往节目复用器。节目复用器将视频PES流、音频PES流和辅助数据PES流复用成SPTS流，其中辅助数据PES流包括系统控制用数据、条件接收(CA)控制用数据等。DVB/MPEG2系统复用可分为两个层次：节目级复用和系统级复用。节目级复用指从 PES流到SPTS流的复用，系统级复用指从SPTS流到MPTS流的复用，DVB/MPEG2实时编码器中的复用是节目级复用，而DVB/MPEG2传输流复用器中的复用是系统级复用。3.DVB/MPEG2传输流复用器 DVB/MPEG2传输流复用器将来自视频服务器本地播出的、DVB/MPEG2 SPTS流复用为一路MPTS流，也就是将多个 SPTS流复用
46、为一个MPTS流，以节省和优化带宽资源，提高信道容量，实现在一个8MHz模拟PAL电视频道上传输8套数字电视节目。DVB/MPEG2传输流复用器的每路输入SPTS流中包括视频PES流、音频PES流和辅助数据PES流，其输出为MPTS流。MPTS流中包括多个节目源的不同信号，为了区分这些信号，在系统的复用器上需要加入业务信息(SI)，使接收端可以识别不同的节目。DVB/MPEG2传输流复用器在将多路 SPTS流复用成一路MPTS流的同时，还去除零或不需要的包，必要时重新变换包识别符(PID)，并抽取和处理所收到的节目说明信息(PSI)和业务信息(SI)，送到条件接收(CA)系统进行加扰处理，CA
47、系统将已加扰的数字电视信号经过信道解码后送到 QAM调制器。4.条件接收与用户管理条件接收(CA)的基本原理是在前端对数字电视信号进行加扰处理，将复用后的传输流与一个加扰伪随机序列进行模2相加，这个伪随机加扰序列的生成由控制字发生器提供的控制字(CW)确定，CA的核心实际上是对CW传输的控制。在DVB/MPEG2传输流中，与CW传输相关的数据流为授权控制信息(ECM)和授权管理信息(EMM)，由业务密钥(SK)加密处理后的CW在ECM数据流中传送，对CW加密的SK在EMM数据流中传送，并且SK在传送前要经过用户个人分配密钥(PDK)的加密处理，PDK 存放在用户的智能卡(Smart Card)
48、中。用户终端数字电视机顶盒(STB)为了再生出解扰伪随机序列，必须获取相关的条件接收信息，STB从接收到的TS传输流中过滤出ECM和EMM数据流后送给智能卡，智能卡首先读取PDK，用PDK对EMM解密，取出SK，利用SK对ECM解密，取出CW送给解扰引擎，解扰引擎利用CW即可将已加扰的DVB/MPEG2传输流进行解扰。5.信道编码DVBC系统进行信道编解码的主要目的是通过采用纠错编码和均衡等技术来提高数字电视在信道中传输时的抗干扰能力。6.QAM调制器QAM调制器负责对经过DVB/MPEG2压缩编码、信道编码、复用、加扰等处理后的数字电视信号进行64QAM调制，以便在HFC宽带网中进行传输。6
49、4QAM调制器接收到MPTS流后，对其进行帧交织、RS编码和64QAM调制，输出中频已调信号到上变频器，变换为RF射频信号，与传统模拟电视RF射频信号以及其他业务信号的RF射频信号一起送入混合器实现频分复用。7.混合器不同的已复用DVB/MPEG2传输流经过QAM调制后，将占用不同频带的8MHz模拟电视频道，前端的混合器负责对QAM调制器输出的DVBC数字电视RF射频信号、其他业务信号的RF射频信号和传统模拟电视RF射频信号进行混合(即进行频分复用)，混合器输出的混合RF射频信号送入HFC宽带网进行传输。8.系统管理系统管理部分主要负责对前端的输入和输出设备的工作状态、前端的输入和输出信号进行
50、实时监测和智能化、自动化控制和管理，以确保前端安全可靠、高质量的运作。系统管理部分主要由前端设备管理服务器、监测工作站、控制工作站及其相应控制和管理软件组成。1.5.3数字电视信号在HFC宽带网中的传输DVBC系统的HFC宽带网将数字电视信号传输给终端用户，早期的集中式HFC网络一般为星-树形拓扑结构，它只有一个前端，所有信号都由前端通过光纤和同轴电缆向下传输。而现阶段采用的分布式HFC宽带网大多采用两级光纤链路级联的环-星-树形拓扑结构，其总前端和多个分布式分前端通过第一级环形光纤链路，组成物理环形网，沿顺时针、逆时针方向同时发送同一光信号，采用发端、收端光开关切换的工作方式，使第一级环形光
